發(fā)布時間：2020-08-09 15:53

【摘要】：在納米材料的合成工藝日漸成熟的背景下,人們將其引入木材改良研究領(lǐng)域,使得這些具有特殊性能的納米材料在木材的防護應用中發(fā)揮了重要作用�；诒砻婀こ痰乃枷�,利用水熱法將功能可控的納米材料負載于木材表面,是近幾年來木材功能改良研究的重要方法之一。然而,水熱法制備出的納米材料不可避免的會出現(xiàn)團聚、分散不均以及與木材表面結(jié)合性較差,甚至脫落等一系列問題,并且通常水熱的處理時間相對較長,也會使木材出現(xiàn)一定程度的降解。針對上述易出現(xiàn)的問題,本論文提出兩種解決方案。第一種解決方案是在水熱合成之前預先對木材表面進行布植納米晶種的處理,并以此作為晶核生長點,使納米材料能夠在木材表面原位定向生長,從而有效地防止團聚,并且增強了其與木材表面的結(jié)合。第二種解決方案是采用微波輔助水熱合成的方式來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的熱傳遞加熱,從而大大縮短了反應時間,提高了制備效率。本論文首先從吸附結(jié)合的角度設(shè)計了兩種晶種預植的方法：(1)基于膠體化學的思路,通過反復浸漬,使膠體粒子能夠與木材表面的大量羥基以氫鍵的形式相互結(jié)合；(2)首先實現(xiàn)聚陽離子電解質(zhì)在木材表面的靜電吸附,既而在其上實現(xiàn)聚陰離子電解質(zhì)和無機納米粒子的層層自組裝。這兩種方法操作簡便,預植處理過程在室溫下即可完成,解決了木材表面晶種預植的技術(shù)難題。其后,在微波輔助的條件下,以ZnO作為代表性生長單元,在木材表面水熱合成了ZnO納米晶層。系統(tǒng)探討了晶種合成條件、水熱前驅(qū)體濃度、反應溫度、微波輻射時間、階段加熱、生長次數(shù)等工藝因素對ZnO納米晶體的結(jié)構(gòu)、形貌、尺寸以及生長的影響,并分析了相應條件下,ZnO晶體的生長機制。最后,對功能性改良后木材的表面性質(zhì)以及其被賦予的新型性能進行了驗證檢測分析。本論文主要的實驗內(nèi)容以及研究情況分為以下幾個部分：1.以重復浸漬膠體溶液作為預植晶種的方法,并通過常規(guī)水熱合成技術(shù)在木材表面制備出ZnO納米晶層。以醇體系作為介質(zhì),使反應前驅(qū)物在溫和的化學環(huán)境下能夠形成過飽和溶液并水解成核,均勻地分散于膠體網(wǎng)絡之中,將木材反復浸漬膠體溶液,使得膠體粒子能夠充分地與其表面的羥基結(jié)合形成氫鍵,為ZnO晶體提供了成核及生長基礎(chǔ)。在常規(guī)水熱合成過程中,通過調(diào)節(jié)反應溫度、處理時間、選取不同的表面活性劑等工藝條件,可有效地控制晶體的結(jié)構(gòu)、形貌、尺寸以及定向性。通過檢測分析可知,木材表面生長的ZnO晶體具有纖鋅礦結(jié)構(gòu),棒狀,端面呈六角形,平均直徑在150-200nm之間,長度約為900nm。并且詳細地闡述了ZnO晶種的形成,與木材表面的結(jié)合以及晶體外延生長的機理,深入分析了晶種預植處理、水熱反應時間以及表面活性劑的選擇對水熱生長ZnO納米晶層的影響。2.以重復浸漬ZnO膠體溶液作為預植納米晶種的方法,通過微波輔助水熱合成技術(shù)在木材表面制備出ZnO納米晶層。晶種預植的方法同前,而在水熱生長階段,利用微波輻射代替?zhèn)鹘y(tǒng)的傳遞加熱方式,有效地將總反應時間從2-10h縮減到30-90min,并制備出了結(jié)晶良好、生長均勻的六角棒狀ZnO納米結(jié)構(gòu)。詳細分析了前驅(qū)物溶液濃度、微波輻射時間、水熱反應溫度、階段加熱、重復生長次數(shù)等工藝因素對微波輔助水熱生長ZnO晶體的結(jié)構(gòu)、形貌、尺寸以及分布的影響。發(fā)現(xiàn)前驅(qū)物溶液濃度越大,越容易得到高長徑比、棒狀形貌明顯的ZnO晶體；溫度越高,越利于ZnO晶體的生長,結(jié)晶性也越好；微波輻射的時間越長,晶體生長的越高,但隨著內(nèi)部溶液的消耗,晶體的高度是有限的；重復水熱生長次數(shù)會不斷地增大晶體的長徑比,甚至還會在晶體表面進行二次生長。在總反應時間相同、最終保溫溫度相同的條件下,多階段式加熱(二階段、三階段)可制備出高長徑比、結(jié)晶優(yōu)異的ZnO納米棒狀結(jié)構(gòu)。3.以層層自組裝聚電解質(zhì)/無機納米粒子作為預植晶種的方法,利用微波輔助水熱合成技術(shù)在木材表面制備出ZnO納米晶層。首先選取聚丙烯胺鹽酸鹽(PAH)作為聚陽離子電解質(zhì),通過靜電吸附作用與木材表面形成進一步的反應基膜,然后通過交替吸附帶有負電荷的聚陰離子電解質(zhì)以及帶有正電荷的ZnO納米粒子,使得ZnO納米晶種層預植在木材表面。在此基礎(chǔ)上進行微波輔助水熱生長,制備出高長徑比、結(jié)晶優(yōu)良的六角棒狀ZnO納米結(jié)構(gòu)。重點分析了層層自組裝聚電解質(zhì)/ZnO納米粒子晶種層制備的機理,以及聚電解質(zhì)溶液濃度、交替吸附層數(shù)對木材表面晶種附著的影響。此外,還選取了不同的無機納米粒子(Fe2O3、Al2O3、CuO),調(diào)節(jié)等電點使其帶有正電荷,通過層層交替吸附聚陽離子、聚陰離子電解質(zhì)以及無機納米粒子,使晶種預植在木材表面,并結(jié)合微波輔助水熱合成技術(shù)成功地制備出多種無機納米結(jié)構(gòu)材料。4.對表面生長有ZnO納米晶層的木材進行性能測試,包括理化穩(wěn)定性、疏水性、抗紫外光降解和抗菌性能測試。通過模擬極端化學條件(酸雨、堿雨、海水、有機溶劑)以及物理環(huán)境(溫度、超聲)條件,觀察木材在這些條件下的表面宏觀形貌,分析晶體的存在狀態(tài),驗證了ZnO納米晶層的穩(wěn)定性并間接證明了其與木材表面的結(jié)合強度；ZnO納米棒狀結(jié)構(gòu)可賦予木材表面疏水性,再加以修飾低表面能的硬脂酸,使木材可長時間保持疏水效果并且防止液滴逐漸浸潤,疏水穩(wěn)定性明顯提高；同時,這種納米結(jié)構(gòu)能夠有效地阻止常用的化學試劑(甘油)以及常見的家用溶液(牛奶、可樂、醬油、咖啡)對木材的浸潤,擴展了木材的應用范圍；ZnO納米結(jié)構(gòu)對紫外線有強烈的吸收和反射作用,在1000h的加速紫外線照射后,表面生長有ZnO納米棒的木材顏色幾乎沒有發(fā)生變化,但木材表面存在輕微程度的降解；此外,上述改性的木材經(jīng)紫外光激發(fā)12h后,對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌有一定的殺菌效果。
【學位授予單位】：東北林業(yè)大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：TB383.1

【參考文獻】

相關(guān)期刊論文 前10條

1 呂文華;趙廣杰;;杉木木材/蒙脫土納米復合材料的結(jié)構(gòu)和表征[J];北京林業(yè)大學學報;2007年01期

2 邱堅,李堅;納米科技及其在木材科學中的應用前景(Ⅰ)——納米材料的概況、制備和應用前景[J];東北林業(yè)大學學報;2003年01期

3 岳孔;夏炎;張偉;許俊;盧曉寧;;酚醛樹脂改性速生楊木耐腐性能研究[J];福建林學院學報;2008年02期

4 陳小輝;林金國;;最近10年我國木材功能性改良研究進展[J];福建林業(yè)科技;2011年01期

5 邱堅;李堅;劉一星;;SiO_2溶膠空細胞法浸漬處理木材工藝[J];林業(yè)科學;2008年03期

6 江澤慧;孫豐波;余雁;任海青;王戈;田根林;;竹材的納米TiO_2改性及防光變色性能[J];林業(yè)科學;2010年02期

7 王立娟,李堅,劉一星;化學鍍鎳電磁屏蔽單板的表面特性研究(英文)[J];Journal of Forestry Research;2005年03期

8 金重為,施振華,張祖雄;ACQ木材防腐劑及防腐處理木材[J];木材工業(yè);2004年04期

9 劉君良,王玉秋;酚醛樹脂處理楊木、杉木尺寸穩(wěn)定性分析[J];木材工業(yè);2004年06期

10 謝延軍;符啟良;王清文;王海剛;;木材化學功能改良技術(shù)進展與產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀[J];林業(yè)科學;2012年09期

本文編號：2787334